Интерфейсы мозг-компьютер (Brain-computer interfaces –BCIs) — это новые вспомогательные устройства, которые в один прекрасный день могут помочь людям с травмами головного или спинного мозга двигаться или общаться. Системы ИМК зависят от имплантируемых датчиков, которые регистрируют электрические сигналы в мозге и используют эти сигналы для управления внешними устройствами, такими как компьютеры или роботизированные протезы.

Большинство современных систем ИМК используют один или два датчика для отбора проб до нескольких сотен нейронов, но нейробиологов интересуют системы, способные собирать данные из гораздо больших групп клеток мозга.

Теперь команда исследователей сделала ключевой шаг к новой концепции будущей системы BCI — той, которая использует скоординированную сеть независимых беспроводных нейронных датчиков микро масштаба, каждый размером с крупинку соли, для записи и стимуляции мозговой активности. Датчики, получившие название «нейрозерна», независимо регистрируют электрические импульсы, производимые возбуждающими нейронами, и посылают сигналы по беспроводной сети в центральный узел, который координирует и обрабатывает сигналы.

В исследовании, опубликованном 12 августа в Nature Electronics, группа ученых продемонстрировала использование почти 50 таких автономных нейронов для регистрации нервной активности у грызуна.

Полученные результаты, по словам исследователей, являются шагом к созданию системы, которая в один прекрасный день позволит записывать сигналы мозга в беспрецедентных деталях, что приведет к новому пониманию того, как работает мозг, и новым методам лечения людей с травмами головного или спинного мозга.

«Одна из самых больших проблем в области интерфейсов мозг-компьютер-это разработка способов зондирования как можно большего количества точек в мозге», — сказал Арто Нурмикко, профессор инженерной школы Брауна и старший автор исследования. — До сих пор большинство БКИ были монолитными устройствами-что-то вроде маленьких игольных грядок. Идея нашей команды состояла в том, чтобы разбить этот монолит на крошечные сенсоры, которые можно было бы распределить по всей коре головного мозга. Именно это мы и смогли здесь продемонстрировать.»

Команда, в которую входят эксперты из Института Карни Брауна, Университета Бейлора, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Qualcomm, начала работу над разработкой системы около четырех лет назад. Проблема была двоякой, сказал Нурмикко. Первая часть требовала сокращения сложной электроники, участвующей в обнаружении, усилении и передаче нейронных сигналов в крошечные кремниевые микросхемы нейрографа. Команда сначала спроектировала и смоделировала электронику на компьютере, и прошла через несколько итераций изготовления, чтобы разработать операционные чипы.

Вторая задача состояла в разработке узла внешней связи тела, который принимает сигналы от этих крошечных чипов. Устройство представляет собой тонкий патч, размером с отпечаток большого пальца, который прикрепляется к скальпу снаружи черепа. Он работает как миниатюрная сотовая телефонная башня, используя сетевой протокол для координации сигналов от нейронов, каждый из которых имеет свой собственный сетевой адрес. Патч также питает нейросети по беспроводной сети, которые предназначены для работы с минимальным количеством электричества.

«Эта работа была настоящей междисциплинарной задачей», — сказал Джихун Ли, постдок-исследователь в Брауне и ведущий автор исследования. «Мы должны были объединить опыт в области электромагнетизма, радиочастотной связи, схемотехники, изготовления и нейробиологии, чтобы спроектировать и управлять системой нейрогрейна.»

Цель этого нового исследования состояла в том, чтобы продемонстрировать, что система может записывать нейронные сигналы из живого мозга—в данном случае мозга грызуна. Исследователи поместили 48 нейронов в кору головного мозга животного и успешно записали характерные нейронные сигналы, связанные со спонтанной активностью мозга.

Команда также проверила способность устройств стимулировать мозг, а также записывать с него данные. Стимуляция осуществляется крошечными электрическими импульсами, которые могут активировать нервную активность. Эта стимуляция управляется тем же центром, который координирует нейронную запись и может в один прекрасный день восстановить функцию мозга, утраченную из-за болезни или травмы, надеются исследователи.

Размер мозга животного ограничивал команду 48 нейронами для этого исследования, но данные предполагают, что текущая конфигурация системы может поддерживать до 770. В конечном счете, ученые предполагают масштабирование до многих тысяч нейрозерен, что даст недостижимую в настоящее время картину мозговой активности.

«Это была сложная задача, поскольку система требует одновременной беспроводной передачи энергии и сети со скоростью мегабит в секунду, и это должно быть достигнуто в условиях чрезвычайно жесткой кремниевой области и ограничений мощности»,-сказал Винсент Леунг, адъюнкт-профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Бейлоре. «Наша команда выдвинула конверт для распределенных нейронных имплантатов.»

Предстоит еще много работы, чтобы сделать эту полную систему реальностью, но исследователи сказали, что это исследование представляет собой ключевой шаг в этом направлении.

«Мы надеемся, что в конечном итоге сможем разработать систему, которая обеспечит новое научное понимание мозга и новые методы лечения, которые могут помочь людям, пострадавшим от разрушительных травм», — сказал Нурмикко.